実践! 医用画像情報学

基礎から実験・演習まで

実践! 医用画像情報学

■監修 福士 政広

■編集 橋本 雄幸

定価 5,940円(税込) (本体5,400円+税)

『医用画像情報学』の講義用テキストとして,また実験レポートの作成にも使えるお役立ちの一冊

『医用画像情報学』の講義用テキストとしてデータの変換法や処理法の原理を単に記述するだけでなく,用語アラカルトや「プラスアルファ」などの囲み記事も盛り込みながら難しい工学的な部分をわかりやすく解説,さらに臨床画像も例示し,臨床に出たときにその技術や知識がどう役に立つのかをイメージできる。加えて,理解度確認に使える演習問題や実験レポートを作成する際に着眼すべきポイント,典型的な実験の手順,押さえておきたい知識なども記載されているので,実体験とともに理解できる実践的教科書。


序文

監修の序
 文部科学省では,2020 年度から小学校プログラミング教育を開始する。プログラミングが義務教育の初等教育から実施されようとしている今般の状況であり,情報化の流れに国民すべてが関わる時代となってきている。
 そのような状況下で理工系医療技術者の代表でもある診療放射線技師や医学物理士などを志す方においては,医用画像情報技術に関する基礎知識および応用技術に関する知識・技能の習得は今や必要不可欠なものとなっている。また,医療技術者の養成課程における情報関連科目の割合も増加傾向にある。
 本書は,2009 年に初版,2018 年より改訂第2 版が順次刊行されている講義用テキスト『診療放射線技師 スリム・ベーシック』シリーズの流れを受けて,今までのノウハウを凝縮・活用し,学生が学びやすく,かつ教員が講義でより使いやすいようにとの観点のもとに刊行する運びとなった。
 診療放射線技師教育においては,平成32 年度版診療放射線技師国家試験出題基準を網羅するとともに新たに医用画像情報学に関する主な実験・実習について,実際の事例を例示した。詳細は編集の序に譲りますが,その他いろいろな工夫を凝らしておりますので是非とも活用していただきたい。
 最後に,本書の編集と執筆にご尽力を頂いた各位に感謝申し上げるとともに,発刊に当たりご尽力いただいたメジカルビュー社編集部スタッフの方々に感謝致します。

2019年12月
首都大学東京
福士政広

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編集の序

 本書は,“診療放射線技師や医学物理士を目指す学生”および“若手の技師”を対象とし,最低限身につけておかなければいけない“医用画像情報学の基礎知識”を網羅的に学習することを最大の目的としている。このため,平成32 年版診療放射線技師国家試験出題基準をベースに過去の出題傾向も意識した構成にするとともに,これから知っておくべき分野として放射線治療の治療計画に必要となる散乱線の影響を模擬できる「モンテカルロシミュレーション」についても『コンピュータシミュレーション』の章にて詳細に解説している。また,本書の後半では『医用画像情報学に関する主な実験・実習』について解説し,それらの実験・実習におけるレポートを書く上での「考察のポイント」も示した。実験によく使用されるツールのうち,ImageJ とExcelについての解説も加えられている。ImageJ では利用する解析のメニューの位置からパラメータの入力まで,図を用いてわかりやすく解説し,Excelでは数式や関数の入力からFFTやソルバーの利用方法までも解説している。実験に活用できるダウンロード資料もいくつか準備中なので,よろしければご活用いただきたい。
 近年,小学校の初等教育にもプログラミングの授業が組み込まれるなど,情報分野に対する知識および技能の必要性はますます高まっている。診療放射線技師や医学物理士を目指す学生においても情報教育は必要不可欠なものとなる。本書では,情報の基礎から丁寧な解説を行っている。さらに,欄外の「用語アラカルト/MEMO」や本文中の「プラスアルファ」など,一歩踏み込んだ情報の充実も図った。本書は,医用画像情報学の分野における有用な教科書または参考書になると期待する。
 最後に,本書の執筆にご尽力を頂いた徳島大学大学院医歯薬学研究部 阪間 稔先生,帝京大学医療技術学部診療放射線学科 大松将彦先生,つくば国際大学医療保健学部診療放射線学科 奥村英一郎先生,つくば国際大学医療保健学部診療放射線学科 中世古和真先生,そして,監修の労を賜った首都大学東京健康福祉学部放射線学科 福士政広先生に感謝申し上げる。また,編集にご尽力いただいた伊藤 彩氏をはじめ,メジカルビュー社編集部スタッフの方々に深甚の謝意を表したい。

2019年12月
杏林大学
橋本雄幸
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目次

第1章 医用画像情報の基礎
 1 情報の表現  大松将彦
  1 数の表現
   位取り記数法
   2 進数と情報量の単位
   R 進数
   負数の表現
   実数の表現
   2 進化10 進数(BCD)
  2 基数変換
   10 進数からの変換
   循環小数
   10 進数への変換
   2 進数⇔8,16進数間の直接変換方法
 2 論理回路  大松将彦
  1 論理素子
   論理演算子
   論理ゲート
   多入力論理ゲート
   双安定回路(フリップフロップ)
  2 論理演算
   真理値表
   ブール代数
   論理演算機能
  3 論理回路
   半加算器
   全加算器
   多桁の加減算回路
   2 進カウンタ
 3 医用画像の基礎   橋本雄幸
  1 画像の認識
   人間の画像認識の仕組み
   カラー画像の表現
  2 画像の種類と単位
   ディジタル画像の表現方法
   画像の種類
   画像に使われる単位
  3 医用画像の特徴
   1画素への割り当て
   階調
   グレースケールとカラースケール
 4 コンピュータの基礎  大松将彦
  1 ハードウエア構成
   コンピュータ開発の履歴
   コンピュータの5大機能
   中央処理装置
   記憶装置
   入出力装置
   インターフェイス
   今後の展望
  2 ソフトウエアの役割
   ハードウエアとの関係
   基本ソフトウエア
   応用ソフトウエア
   その他ソフトウエア
  3 コンピュータネットワーク
   歴史的背景
   ネットワークの構成
   WAN
   LAN
   通信プロトコル
   LAN のトポロジーとOSI参照モデル
   実際のパケット送信例とTCP/IPモデル
   今後の展望
 第1 章 演習問題
第2章 医用画像
 1 アナログ画像  中世古和真
  1 増感紙フィルムシステム(S/F系)
   フィルムと感光
   現像,定着
   写真現象
  2 センシトメトリ
   基礎項目
   センシトメトリ
 2 ディジタル画像  橋本雄幸
  1 画素,画像データ量
   画素
   画像データ量
  2 画像の標本化・量子化
   標本化
   量子化
  3 空間周波数とフーリエ変換
   フーリエ変換とは
   フーリエ変換の性質
   パーセバルの定理
   重畳積分
   特殊な関数のフーリエ変換
   振幅と位相
   アフィン変換との関係
  4 サンプリング定理
   サンプリング定理とは
   エイリアシング
  5 画像作成
   X 線の減弱
   単純X 線撮影の場合
  6 画像再構成
   X 線CTの画像再構成
   単純逆投影法
   フーリエ変換法
   フィルタ補正逆投影法
   重畳積分法
   逐次近似法(ART法とSIRT法)
   逐次近似法(ML-EM 法とOSEM 法)
 3 画像処理①  中世古和真
  1 階調処理
   ヒストグラムと線形階調処理
   階調処理(画像情報を基にした処理)
  2 2値化,モルフォロジカル処理
   2値化
   モルフォロジカル処理(2値化,濃度画像)
  3 空間フィルタ
   基礎項目
   線形フィルタ
   非線形フィルタ
  4 周波数処理
   基礎項目
   周波数空間のフィルタ演算
   その他の周波数空間の処理
  5 データ圧縮
   データ圧縮の種類
   圧縮が行われる背景と用いる処理
  6 画像間演算
   経時サブトラクション
   エネルギーサブトラクション
   ボケマスク処理
   マルチ周波数処理
   リカーシブフィルタ
 4 画像処理②  奥村英一郎
  1 三次元表示
   多断面再構成法(MPR)
   サーフェイスレンダリング法
   ボリュームレンダリング法(VR)
   最小値投影法
   最大値投影法(MIP)
   平均値投影法
  2 コンピュータ支援診断(CAD)
   CAD の歴史
   存在支援診断
   鑑別支援診断
   画像間処理
   CAD の将来像
  3 機械学習
   K 近傍法
   線形判別分析(LDA)
   サポートベクターマシーン(SVM)
   人工ニューラルネットワーク(ANN)
   深層学習
 5 画像評価  中世古和真
  1 画質因子と評価方法
   撮影条件による画質の変化
   アナログ写真に影響を与える因子
   ディジタル画像に影響を与える因子
  2 入出力特性
   アナログ写真の入出力特性
   ディジタル画像の入出力特性
  3 解像特性
   イメージングシステムにおけるボケ
   導出過程(理論)
   導出方法(スリット,エッジ,矩形波チャート法)
   ディジタル画像におけるMTF
   実際の導出に用いる処理
   MTFで生じるエラー
  4 ノイズ特性
   ノイズとは
   RMS 粒状度(root mean square)
   ウィナースペクトル
   アナログ写真における粒状性
   ディジタル画像における粒状性
   実際の処理
   粒状性と解像特性の関係性
   粒状性とコントラストの関係
  5 信号検出理論
   信号検出理論の基礎事項
   信号検出理論の流れ
   弁別力,バイアスの導出方法
   刺激-反応マトリクスより導出される値
   観察者の評定試験の方法
  6 ROC解析
   ROC解析の手順
   評定試験
   ROC曲線の導出
   統計的有意差検定
  7 DQE,NEQ
   SNRによる定義
   空間周波数としてのDQE,NEQ
 第2 章 演習問題
第3章 医療情報
 1 基本事項  大松将彦
  1 電子保存と標準化
   医療情報の特性と電子化
   電子保存
   標準化
   DICOM
   HL7(Health Level 7)
   MFER
   IHE
   今後の展開
  2 セキュリティ
   情報セキュリティとは
   プライバシー保護に関する法令
   医療情報に関わるガイドライン
   セキュリティ対策
   今後の方向性
 2 システム
  1 病院情報システム(HIS)  橋本雄幸
   病院情報システム(HIS)とは
   HISの目的
   HISの機能
   医療情報に必要なもの
  2 放射線情報システム(RIS)  橋本雄幸
   RISの目的
   RISの機能
  3 医用画像保存・通信システム(PACS)  橋本雄幸
   PACSの目的
   PACSの構成要素
   クラウドPACS
  4 画像表示システム   中世古和真
   液晶モニタの構造および動作原理
   液晶モニタの特性
  5 検像システム  橋本雄幸
   主な機能
   検像時の確認情報
   具体的な作業
   運用ケース
  6 遠隔画像診断(テレラジオロジー)  橋本雄幸
   遠隔医療
   ガイドライン
   遠隔医療診断
 3 品質管理  奥村英一郎
  1 画像表示モニタの品質管理
   液晶モニタの取り扱い
   液晶モニタの品質管理
 第3 章 演習問題
第4章 コンピュータシミュレーション
 1 コンピュータシミュレーション  阪間 稔
  1 モンテカルロシミュレーション
   コンピュータシミュレーションとは?
   モンテカルロ法と放射線/粒子シミュレーション
   モンテカルロ法での相互作用の発生アルゴリズム
   モンテカルロ法の計算精度:統計的な不確かさと系統的な不確かさ
   シミュレーション計算の高速化:モンテカルロ法における並列化計算
   可視化について
 第4 章 演習問題
第5章 実習の手引き&レポートの取り方
  1 実験レポートのポイント  橋本雄幸
  2 ImageJとExcel,実験に関するツール解説  大松将彦
  3 階調処理・空間周波数処理   奥村英一郎
  4 サブトラクション処理   奥村英一郎
  5 シミュレーションによるディジタル画像処理および特性の理解  中世古和真
  6 シミュレーションによるX 線CTの画像再構成  橋本雄幸
  7 コンピュータシミュレーション(モンテカルロ法)  阪間 稔
  8 センシトメトリ・特性曲線の作成  橋本雄幸
  9 解像特性(MTF)/ノイズ特性(WS)  橋本雄幸
  10 検出能/ROC  橋本雄幸
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